地鐵隧道明挖施工基坑支護穩定性研究

李志貝

（中建八局第三建設有限公司，江蘇 南京 210046）

0 引言

目前，在地鐵隧道施工中，雖然有多種施工方式可供選擇，但出于經濟和安全等方面的考慮，仍然多采用明挖法進行施工。這種方法一般適用于場地平坦或近似平坦的施工條件。為確保基坑支護的穩定性，相關人員需要利用計算機對隧道基坑和圍護結構進行力學模擬研究，研究明挖施工對基坑結構的影響，并作出精確的預測，以便為地鐵隧道明挖施工基坑支護的穩定性提供科學依據。

1 地鐵隧道明挖施工概念

在地鐵隧道開挖方面，有多種方法可供選擇，但考慮到工程的經濟成本和安全性，大多采用明挖法。明挖法是指自上而下地挖掘土石，直到達到規范要求，然后由下而上依次進行施工，最終將土石方全部回填到基坑內，并將地表恢復成平坦狀態。但是，這種方法一般只適用于施工附近沒有建筑物的情況。而地鐵建設一般都在城市中心地帶。而城市中心地帶一般建筑物眾多，道路縱橫，地下設施繁多，使得明挖施工難度較大。為解決這一問題，國內外許多學者進行了深入研究，并通過試驗數據和模擬計算，提出解決方案[1]。

2 地鐵隧道基坑支護技術

2.1 鋼板樁支護施工技術

鋼板樁的型式有多種，包括Z 型鋼板樁、U 型鋼板樁、H 型鋼板樁等，具體應根據地基的施工條件選擇合適的鋼板樁型式。但鋼板樁支護技術在地鐵隧道施工中的應用存在局限性，更適合8m 以下的基坑。地鐵隧道施工中所用的鋼板由熱軋型輕鋼制造，其生產工藝相對簡便。進行鋼板連接時，可將部分單獨的鋼板墻體作為支護，起到擋水擋土的基礎功能。目前，在國內地鐵隧道工程項目中，尤其是在軟土區域，鋼板樁在深基坑支護施工中得到了廣泛應用。不過在地鐵隧道工程施工過程中，由于會受地下水的影響，相關工作人員需要做好防滲處理工作，以確保鋼板樁支護不受水侵蝕。

2.2 排樁支護技術

排樁支護技術要求在地鐵隧道施工時，先在支護部位鉆出排列的孔，然后在各孔內進行鋼筋混凝土灌注施工。鋼筋混凝土樁的支撐是保證排樁支護技術發揮作用的基礎。排樁支護技術的鉆孔位置可分為“疏散型布置”和“緊湊型布置”兩種，其差別在于井眼間距不同。支撐強度高的排樁布置形式為柱列式。

在鉆孔作業中，機械鉆孔可以大幅度地提高工作效率和質量，但不宜使用大的機器，以免對鉆孔周邊的結構造成巨大的壓力，增加土壤松散的危險，影響排樁施工質量。此外，為防止地下水滲入破壞支護穩定性，可采用樁端后高壓注漿技術，以提高樁的承載力。

2.3 土釘墻支護技術

土釘墻支護施工一般要采用噴射混凝土工藝，主要包括清理主筋、綁扎鋼筋、主筋、鎖緊筋、調配混凝土材料、噴射混凝土、保護混凝土表面等步驟。

具體流程如下：按照設計規范，分層、分段進行開挖施工，并盡可能保證隨時進行開挖、支護和噴射混凝土。但需要注意，混凝土噴入上部施工區域前不得對下部混凝土進行開挖。并且，采用機械設備挖掘時，嚴禁在邊墻部位出現超掘現象，以防止邊墻土體松動。為了保證邊坡不會出現崩塌現象，相關人員還需要采取有效措施防止滑坡。例如，在修補好的墻體上及時進行砂漿和混凝土噴射，在砂漿和混凝土噴射凝固后進行鉆孔，再噴淋混凝土面層，根據開挖面的情況合理布置鋼筋和鋼管，并進行注漿，以達到加固目的，最后安裝土釘。對于已開挖的巖體，應在基坑內建造一座小型坡道，待鉆孔完畢，放置土釘并進行清理。

3 地鐵隧道明挖施工基坑穩定性研究

3.1 模型建立

該工程應用Mob-Coulomb 模型，其中鋼支撐采用梁構件單元模擬、樁采用樁構件單元模擬。三維模型的對應長度、寬度、深度參數設置為45m、96m、50m，其他情況不作考慮。根據基礎數據模型，開挖、支護按下列步驟進行：將土坑分別開挖至3m、8m、12m 和15m，并分別在2m、7m 和13m 的位置設置第1 層鋼支撐、第2 層鋼支撐和第3 層鋼支撐。

研究結果顯示：在試驗坑周圍地表存在著一定的沉降變化，而且沉降度表現由近及遠呈遞減趨勢，最大沉降度沒有發生在試驗坑周圍外延。支護樁位置的側向位移表現為中間部分大，上、下部分小，總體上表現為一種拋物線形狀。基坑開挖施工后因降低基坑內的垂直荷載，使其產生了兩側較低、中部較高的輕微回彈凸起現象。在此次試驗中，由于基坑開挖持續地卸荷，使得基坑底部在首次開挖后出現凸起，圍護樁存在基坑朝內側水平移動問題，且有一個向內的拋物線形態。

3.2 不同嵌固深度樁與不同直徑樁的支護穩定性分析

如果圍護樁的嵌固深度增加，將導致基坑穩定性和位移發生顯著變化。控制變量只改變樁嵌固深度，深度為3m、4m、5m、6m、7m，樁高為嵌固深度加15m。由圖1 可知，支護樁本身的水平位移是隨樁長的增大而減小的，而且樁長在18～20m 之間改變時，其減小的速率較快，且受樁長的影響最大，而當樁長＞20m時，其水平位移速度減小較慢，受樁長的影響較弱。所以，僅通過增大樁的長度來改善基坑的穩定性是不夠的。在嘗試將樁長從18m 提高到20m 時，其沉降量迅速降低，而將樁長持續提高到22m 時，其沉降量沒有顯著變化。試驗中隨著樁徑長從20m 增加至22m，樁身水平位移距離會逐漸變小，其對降低樁位移的作用逐漸減弱。但隨著樁長的增大，可以清楚地看見土坑周圍的地表沉降在逐漸減小，如圖2 所示，最大沉降值從10mm 降低到4.5mm，影響范圍在14m 之內。由上述數據資料及圖例可知，在進行工程建設時必須確保基坑的安全性與穩定性，而不能單純地依賴于增大樁長來增強基坑穩定性，以及降低開挖基坑對周邊地面的沉降影響。

圖1 不同嵌固深度樁自身水平位移距離影響

圖2 不同嵌固深度圍樁對地表沉降影響

3.3 不同直徑樁的圍護效果分析

試驗中設置支護樁的長度參數為20m、間距為1.5m、嵌固深度為5m，隨后展開模擬試驗。首先，確保各模擬試驗按照合理的開挖順序進行，并確保支柱的結構與參數恒定不會改變。其次，在試驗中，單獨改變樁直徑，以檢測其對基坑穩固性的影響。以600mm 直徑樁為例，試驗結果表明樁頂位移約為5mm，樁身最大位移為18mm，圍護樁也發生了改變，其底部位移達到14mm，試驗中出現明顯的“踢腳”現象。最后，將樁徑增加到1000mm 后，樁頂的位移值減小到3.6mm，樁身自身的位移值也不大，僅為13.8mm，支護樁底的位移值在10mm 左右。

從上述數據可以看出，單純改變樁徑對圍護樁的影響是非常明顯的，隨著樁徑的增大，樁自身位移距離也會相應地減小，同時周邊地面的下降也尤為顯著。試驗中將樁徑由600mm 增大到1000mm，結果表明樁身的影響因子都在12m 以內，地面沉降呈現出拋物線形狀。

通過該試驗可得出以下結論：最大沉降量隨樁徑的增大而降低，影響范圍逐漸縮小，且改變很快。可見隨著樁徑的增大，地面沉降的幅度有所減緩，繼而在今后的建設中，不僅要兼顧安全性和穩定性，而且要兼顧項目的經濟性。

3.4 數值模擬結果和實測結果對比分析

經過對綜合實測與模擬試驗的分析，得出以下結論：二者之間沒有顯著的差別。具體表現為：實測時，樁身底部位移為0mm，樁身頂部位移為8mm，而在模擬試驗中，樁身底部位移為5mm，樁身頂部位移為4mm，兩者均以距離樁尖10mm 為最大值。結果表明，各參數之間沒有顯著的差異，兩種方法都能反映其對樁身變形的影響。此外，對該工程基坑周圍地表沉降的影響進行分析，發現實測數值和模擬試驗所得數值結果基本一致。

4 地鐵隧道明挖施工確保基坑支護穩定的要點

4.1 加強對施工周邊環境勘察，做好設計工作

在地鐵隧道基坑支護施工中，支護的設計方法與周圍的地質條件密切相關[2]。如果施工區域的管道出現斷裂，會導致土壤松軟，從而影響地基的穩定性。因此，相關施工人員需要提前對地鐵施工現場場地周邊環境進行考察，包括已有建筑物、道路、地下構筑物與地下市政工程，以及開挖過程中降雨對周邊的影響，以便及時作出相應的安全風險防范。

同時，在施工過程中，需要做好作業安排，加強對氣象、氣候信息資料的搜集，合理安排施工作業，以降低災害的發生率。在進行基坑開挖之前，還應認真地分析和研究勘測場地的地質情況，并充分考慮周圍的復雜地形條件，在開工前制定好相應的對策，排除可能出現的不利影響和干擾。

4.2 強化基坑風險評估

確定了基坑施工方案后，要對其進行施工安全評估、可行性評估，并對其進行全面的分析，根據土體強度、施工設備等進行評估，確保能夠達到相關安全規范要求。

進行安全風險評估時，需要對以下方面進行評估和預測：如果設計方案不能滿足實際工程，則需進一步提高或縮小以前的基坑面積；對鄰近建筑物和公用設施造成的損害進行評估；在發生突發性自然災害時，對基坑的變形和破壞進行評估。

控制基坑變形，必須滿足下述標準：一是基坑發生地表塌陷時，應避免對鄰近建筑物的使用造成不利的影響；二是進行基坑側墻和地表變形預測時，必須考慮到基坑的安全級別，并根據特定的限制條件開展工作。

4.3 強化施工監測

在地鐵隧道明挖基坑支護施工過程中，大部分支護結構是臨時性的，而且在工程建設進程中，各種結構的性能會逐步降低，一旦支撐能力達不到標準要求，會造成各種安全隱患。為此，工程監理必須做好日常施工監測工作，全面、動態地對各種施工技術指標和工程性能進行動態評估，避免出現潛在的問題。另外，為了提高地鐵隧道工程建設管理工作質量，應采取多種方法加強管理，提高管理人員的工作能力，如舉辦交流培訓會，并要求所有管理人員都參與其中，以保證后續工程管理工作得以高質量開展。

4.4 做好防水與止水處理

進行地鐵隧道基坑支護工作時，不僅需要對基坑進行防水處理，還需要做好止水處理，以確保基坑支護施工技術能夠真正起到應有的效果。

根據工程經驗，在干旱季節進行基坑施工是最好的選擇，尤其是在南方降雨比較多的地區。在正式開始施工之前，相關單位必須充分了解地鐵隧道基坑開挖的地理位置，并進行針對性的調查和研究，以便進行地理位置的檢查，同時要進行地質構造的測量，進而制訂科學的地下水治理方案，確保深基坑支護施工能夠有效開展。

5 結語

總之，進行地鐵隧道明挖法施工時，由于基坑開挖會對周邊環境產生影響，隨著基坑深度的增加，這種影響會變得更加明顯，會對基坑支護穩定性產生影響。因此，需要對基坑支護結構進行合理布置和施工，以確保基坑支護的穩定性，使地鐵隧道明挖施工能夠安全進行。